故障檢修與技術維護

增壓器葉輪打壞的原因分析及預防措施

 

 摘要：對于采用自吸式空氣供給系統的柴油機來說，漏油，漏水能看得見，且都能在較短的時間內導致發動機不能正常工作。漏氣則看不見，而且在相當長的時間內發動機都能正常工作。因此，往往容易被使用者所忽視。本文通過對在實驗室試驗柴油機性能的過程中，出現的可變截面渦輪增壓器損壞時的現象，以及不同原因引起的結果進行了分析。康明斯公司在本文中專門提了幾點看法，僅供參考。

 

一、可變截面渦輪增壓器的工作特點

      對于普通渦輪增壓器，人們已經很熟悉了，但對可變截面渦輪增壓器卻知之甚少。它與普通渦輪增壓器不同的是：在普通渦輪增壓器的基礎上，增加了廢氣進入渦輪的導向葉片及調整機構，通過ECU電子控制單元控制導向葉片的角度，以控制廢氣進入渦輪入口的多少。在發動機低速時，則減小導向葉片的角度，使廢氣進入渦輪的入口變小，廢氣進入渦輪的速度和壓力就增加，渦輪就能產生足夠的動力來帶動同軸的壓氣機葉片轉動。以保證進入氣缸足量空氣，完成柴油的完全燃燒。柴油機轉速升高，產生的廢氣增多時。讓導向葉片張開，加大與空氣的接觸面，大幅度增高增壓值，以保證氣缸對空氣的需求。這樣就避免了普通渦輪增壓器在發動機低轉速時引起的渦輪遲滯，以致不如自吸式空氣供給系統吸入氣缸的空氣量。

      所有康明斯ISL系列柴油發電機都使用可變截面式渦輪增壓器，通過在加速或瞬變狀態提供更快的增壓以提高柴油發電機性能。增壓器采用了氣動執行器，根據性能的需要改變渦輪出口面積，以得到不同的增壓水平。關閉可變截面噴嘴（減少渦輪出口面積），渦輪轉速將增加，增壓壓力則增加更快；打開可變截面噴嘴（增加渦輪出口面積）、渦輪轉速將降低，則產生很小的增壓壓力。

      可變截面式渦輪增壓器具有標準渦輪增壓器的功能，它還補充了下列部件：

① 軸承座中的渦輪轉速傳感器，用來監測渦輪增壓器的運轉情況。

② 滑動噴嘴，由連接至發電機組空氣供應系統的氣動執行器驅動。

③ 氣動執行器，由空氣控制閥控制，接收氣罐的空氣。

④ 當可變截面式渦輪增壓器機構開啟，可聽到空氣從氣動執行器釋放到空氣控制閥的聲音。

⑤ 除機油潤滑外，還配備了水冷式軸承座。

 

      正常情況下，渦輪增壓器會發出“嗚、嗚”聲，其強度隨柴油發電機的轉速和負載而變化。聲音是由極高速旋轉的轉子總成，以及在生產中采用的轉子總成平衡方法綜合引起的，因此，全速時聲音更大。氣動執行器在鑰匙開關接通位置時也會發出輕微的漏氣聲。

康明斯發電機組增壓器位置圖

冷卻液在增壓器中的工作過程

二、試驗原因分析

 

1、問題的出現

 

      康明斯公司在實驗室對兩臺1.5L排量的柴油機進行性能試驗時，結果兩臺發動機都先后出現了同樣的現象，就是發動機在工作過程中突然冒起了黑煙，功率下降，油耗增加。初步檢查，都是可變截面渦輪增壓器壓氣機葉片損壞，使進入氣缸的空氣不足，柴油不能完全燃燒，而引起發動機冒黑煙的。

 

2、原因分析

 

（1）雜質撞擊壓氣機葉片而使其損壞

      其中一臺柴油機出現故障后，經查閱該機在試驗過程中的所有統計數據，但均未見異常，檢查增壓器軸的軸向移動間隙正常。拆開渦輪增壓器，檢查軸與軸承的配合間隙也正常。從發動機工作的時間上看，造成壓氣機葉片疲勞損壞也不會成為可能。這樣壓氣葉片就只有在其高速運轉的情況下，受到未來雜質撞擊而將其損壞。

      雖然我們并未考證：壓氣機葉片在轉速多高，雜質質量多大的情況下，才能把壓氣葉片撞壞。但雜質確確實實能撞壞壓氣葉片是一個不爭的事實，是被實踐所證明了的。

（2）渦輪增壓器超速運轉，導致壓氣葉片損壞

      在查閱另外一臺發動機在試驗過程中的統計數據時發現：盡管該機并未超速（≤4000r/m），但進氣溫度和壓力卻明顯超過了規定值。這表明渦輪的轉速已經超過了最高限制轉速（>265000r/m）.晃動增壓器軸，感覺軸與軸承的配合間隙明顯超過了規定值。經拆開增壓器檢查發現，增壓器軸已經超過了磨損極限，與之配合的半浮式軸承已經遠遠超過了磨損極限，肉眼可以看得出軸承孔已嚴重失圓。

      當增壓器超速時，溫度進一步升高，壓力進一步增大，軸與軸承間的潤滑油膜就形成質量差，甚至難以形成。軸與軸承在潤滑不良甚至干磨的情況下工作。軸與軸承在極短的時間內就磨損超限，引起增壓器軸抖動，固定在軸的另一端的壓氣機葉片就撞向殼體而使其損壞。事實也正是如此，壓氣機葉片有明顯的與殼體相撞的痕跡。

三、防治措施及故障排除

1、避免雜質從壓氣機入口處進入

      要想不引起壓氣葉片被撞壞，就的防止雜質從壓氣機入口處進入，就得從以下幾方面入手：

（1）保證空氣濾清器質量，避免使用質量差的濾芯；

（2）定期檢查和保養空氣濾清器，及時更換濾芯，以防濾芯破損而使空氣濾清器失去過濾作用；

（3）在環境差的地方工作時要提前對空氣濾清器進行保養維護；

（4）擰緊接口處的緊固螺栓和夾箍螺釘，以防未經過濾的空氣短路從壓氣機入口進入。

2、杜絕渦輪增壓器超速運轉

      要想不使渦輪增壓器超速運轉，就必須從引起超速的源頭上做起。

      正常情況下，只要柴油機不超速，渦輪增壓器是不會超速的。ECU通過進入氣缸中的空氣量來控制著渦輪增壓器的轉速。當增壓后的空氣在進入氣缸的過程中，中途接口處有漏氣的地方，進入氣紅中的空氣就要打折扣了。ECU要維持進入氣缸中的空氣質量不變，就得提高增壓器的轉速以加大從壓氣機入口處的空氣進入量。

      渦輪增壓器轉速超限后，溫度和壓力就會超標，增壓器軸與軸承在極短的時間內就報廢，導致壓氣葉片撞向殼體而損壞。

      可見，避免從壓氣機出口到氣缸過程中的空氣泄露是解決柴油機正常工況下渦輪增壓器超速的唯一途徑。

3、提升增壓器自身強度的角度考慮

（1）適當增大壓氣葉片的安全系數，以使損壞壓氣葉片的雜質質量增大，降低雜質損壞壓氣葉片的概率，以延長渦輪增壓器的使用壽命；

（2）適當增大增壓器軸尤其是軸承的安全系數，使其耐高溫，耐磨性進一步提高；

（3）采用更先進的技術，生產出更加先進的軸與軸承；

（4）適當增大渦輪增壓器的體積，通過增大進氣量來降低渦輪轉速。使增壓器在保證了供氣不變的情況下降低了轉速，使軸與軸承的壽命得以延長。

4、故障排除

      嚴格按照正確的安裝方法，更換了可變截面渦輪增壓器；對空氣濾清器及其進氣管道進行了全面的正確的保養和維護；對各接口處進行了必要的換件和重新緊固。以后，故障再未出現。

 

總結：

      上述出現的問題，僅僅是“三漏”中其中一漏—漏氣引出的問題。這對傳統的不安裝可變截面渦輪增壓器的柴油機來說，充其量也不過是加速了缸筒，活塞，活塞環等的磨損，發動機仍然能長期正常工作。因此，不能引起人們的高度重視。而對安裝可變截面渦輪增壓器的柴油機來說就不一樣了。進氣系統漏氣尤其是從壓氣機出口到氣缸過程中的漏氣，能導致渦輪增壓器較快的損壞，使發動機不能正常工作。因此，防止進氣系統漏氣就顯得尤為重要了。

 

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